Optimització de contactes selectius de forats basats en capes de V2O5 depositats per ALD

(1)

Optimització de contactes selectius de forats basats en capes de V

2

O

5

depositats per ALD

Treball final de grau realitzat a

l’Escola Tècnica d'Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona

Universitat Politècnica de Catalunya per

Ricard Subias Farreres

En compliment parcial dels requisits pel grau en

Enginyeria de Tecnologies i Serveis de Telecomunicació

Tutor: Pablo Ortega Villasclaras

Barcelona, Gener 2019

(2)

Abstract

This work has been done in collaboration with the Micro and Nano-tecnologies departament of the Universitat Politècnica de Catalunya. Its goal has been obtaining a hole transport layer (HTL) using vanadium oxide (V2O5) layers through the ALD (Atomic Layer Deposited) technique for interdigitated Back-Contact “IBC” solar cells.

The project has been divided in two blocks, the first one designed to get a low contact resistance, and the second one aimed at finding a good passivation with high lifetime (or J0 with low value) using three schemes of different metallization and applying different annealing. The first scheme is composed of Alumina (Al2O3), V2O5, Indium Tin Oxide (ITO), and silver (Ag); the second of Alumina (Al2O3), V2O5, Indium Tin Oxide (ITO), and aluminium (Al); and the last one of V2O5, nickel (Ni) and Al.

Finally, the ITO/Ag and Ni/Al schemes have yielded good results, where a thickness of the vanadium oxide layer, temperature, and annealing time which optimize contact resistance and passivation have been obtained for both studies and metallization schemes. In the ITO/Al scheme the contact resistance results have not been satisfactory.

(3)

Resum

Aquest treball s’ha realitzat amb col·laboració amb el departament de Micro i Nano- tecnologies (MNT) de la Universitat Politècnica de Catalunya. L’objectiu ha estat obtenir contactes selectius de forats (HTL) utilitzant capes d’òxid de vanadi (V2O5) depositat mitjançant la tècnica del ALD (Atomic Layer Deposited)per a cèl·lules solars de contactes posteriors interdigitats “IBC” (Interdigitated Back-Contact solar cells).

El projecte es divideix en dos blocs d’estudi, un per obtenir una resistència de contacte baixa i l’altre per trobar una bona passivació amb temps de vida elevat (o J0 amb valor baix) utilitzant tres esquemes de metal·lització diferents i aplicant diferents recuits. El primer està compost per alúmina (Al2O3), V2O5, Indium Tin Oxide (ITO) i plata (Ag); el segon esquema és el mateix que el primer canviant la plata per alumini (Al); i l’últim esquema està format per V2O5, níquel (Ni) i Al.

Finalment, s’han trobat bons resultats en els esquemes amb ITO/Ag i Ni/Al, on s’ha obtingut per a cada estudi i esquema de metal·lització un gruix de la capa d’òxid de vanadi i la temperatura i temps de recuit que optimitza la resistència de contacte i la passivació.

En l’esquema ITO/Al els resultats de resistència de contacte no han sortit satisfactoris.

(4)

Resumen

Este trabajo se ha realizado en colaboración con el departamento de Micro i Nano- tecnologies (MNT) de la Universitat Politècnica de Catalunya. El objetivo ha sido obtener contactos selectivos de huecos (HTL) utilizando capas de óxido de vanadio (V2O5) depositadas mediante la técnica del ALD (Atomic Layer Deposited) para células solares de contactos posteriores interdigitadas “IBC” (Interditated Back-Contact solar cells).

El proyecto se divide en dos bloques de estudio, uno para obtener una resistencia de contacto baja y el otro para encontrar una buena pasivación con el tiempo de vida elevado (o J0 con valor bajo) utilizando tres esquemas de metalización diferentes y aplicando diferentes recocidos. El primero está compuesto por alúmina (Al2O3), V2O5, Indium Tin Oxide (ITO) y plata (Ag); el segundo esquema es el mismo que el primero cambiando la plata por aluminio (Al); el último esquema está formado por V2O5, níquel (Ni) y Al.

Finalmente se han encontrado buenos resultados en los esquemas con ITO/Ag y Ni/Al, donde se han obtenido para cada estudio y esquema de metalización un grosor de la capa de óxido de vanadio y de temperatura y tiempo de recocido que optimiza la resistencia de contacto y la pasivación. En el esquema ITO/Al las muestras no han salido satisfactorias.

(5)

Agraïments

Aquest treball es la culminació dels meus estudis de grau en enginyeria de telecomunicacions amb menció a sistemes electrònics i per tant, d’una etapa molt important de la meva vida.

Voldria agrair al meu tutor Pablo Ortega per la oportunitat de formar part d’un grup d’investigació tant important com és el de MNT i poder aprendre sobre el treball que duen a terme a la sala blanca. També li vull agrair tota l’ajuda que m’ha donat durant el projecte i la posterior redacció.

A la Gema Lopez, l’Eloi Ros i al Gerard Masmitjà els hi he d’agrair tot el que m’han ensenyat dins i fora de la sala blanca, a més de l’ajuda en els diferents processos del projecte, ja que ha estat de vital importància per poder fer tota la part experimental.

Als meus companys de grau i als professors que he tingut durant aquests anys, ja que entre tots m’han ajudat a ser un futur millor enginyer a nivell tècnic i personal.

Finalment als meus amics, a l’Aida i a la meva família per tot el recolzament i la confiança durant tot aquests temps, ja que ells, millor que ningú, saben l’esforç que he fet per poder arribar fins a aquest punt.

(6)

Historial de revisions i registre d’aprovacions

Revisió Data Propòsit

0 21/12/2018 Creació del document 1 18/01/2019 Revisió del document 2 23/01/2019 Revisió del document 3 24/01/2019 Revisió final del document

Llista de distribució del document

Nom e-mail

Ricard Subias Farreres [email protected]

Pablo Ortega Villasclaras [email protected]

Escrit per: Revisat i aprovat per:

Data 21/12/2018 Data 24/01/2019

Nom Ricard Subias Nom Pablo Ortega

Posició Autor del projecte Posició Supervisor del projecte

(7)

Taula de continguts

Abstract ... 1

Resum ... 2

Resumen ... 3

Agraïments ... 4

Historial de revisions i registre d’aprovacions ... 5

Taula de continguts ... 6

Llistat de figures ... 8

Llistat de taules ... 10

1. Introducció ... 11

1.1. Objectius ... 11

1.2. Requeriments ... 11

1.3. Especificacions ... 12

1.4. Idea del projecte ... 12

1.5. Pla de treball ... 12

1.5.1. Tasques ... 12

1.5.2. Fites ... 14

1.5.3. Diagrama de Gantt ... 15

1.6. Desviacions respecte el pla inicial ... 15

2. Estat de l’art ... 16

2.1. Interdigitated Back-Contact (IBC) solar cells ... 16

3. Metodologia: ... 18

3.1. Aparells ... 18

3.1.1. Banc químic... 18

3.1.2. Evaporador tèrmic ... 18

3.1.3. Glovebox ... 19

3.1.4. Planxa calenta de recuits... 20

3.2. Mètodes ... 21

3.2.1. Atomic Layer Deposite (ALD) ... 21

3.2.2. Sputtering ... 22

3.2.3. Mesures TLM ... 23

3.2.4. Mesura de fotoconductància ... 24

3.3. Creació de les mostres ... 25

3.3.1. Òxid de Vanadi (V2O5), ITO / Plata (Ag) o Alumini (Al) ... 25

(8)

3.3.2. Òxid de Vanadi (V2O5), Níquel (Ni) / Alumini (Al) ... 25

4. Resultats ... 26

4.1. Estudi de la resistència de contacte ... 26

4.1.1. Òxid de vanadi (V2O5), indium tin oxide (ITO) i plata (Ag) ... 26

4.1.2. Òxid de vanadi (V2O5), indium tin oxide (ITO) i alumini (Al) ... 28

4.1.3. Òxid de vanadi (V2O5), Níquel (Ni) i Alumini (Al) ... 29

4.1.4. Comparativa resistència de contacte ITO/Ag i Ni/Al... 32

4.1.5. Conducció capa d’òxid de vanadi ... 33

4.2. Estudi de la passivació ... 33

4.2.1. Estudi passivació estructura amb ITO ... 35

4.2.2. Estudi passivació níquel i alumini ... 38

5. Pressupost ... 40

6. Conclusions i estudis futurs ... 41

Bibliografia: ... 43

Glossari ... 44

(9)

Llistat de figures

Figura 1 Cèl·lula solar amb contacte posterior i els seus elements ... 16

Figura 2 Banc químic ... 18

Figura 3 Evaporador tèrmic ... 19

Figura 4 Glovebox ... 20

Figura 5 “Hot plate” per fer els recuits ... 20

Figura 6 Cicle fet amb ALD per crear una capa d'alúmina ... 21

Figura 7 ALD sala blanca ... 22

Figura 8 Màquina per fer el "Sputtering" ... 23

Figura 9 Esquema sèrie per fer mesures TLM a) i màscara de TLM b) ... 23

Figura 10 Sondes mesurant un motiu TLM ... 24

Figura 11 Gràfica mesures TLM ... 24

Figura 12 WCT-120 de Sinton per mesurar fotoconductàncies ... 25

Figura 13 Esquema per crear i mesurar les mostres amb ITO i Plata / Alumini ... 25

Figura 14 Esquema per crear i mesurar les mostres amb Níquel i Alumini ... 25

Figura 15 Comparació de la resistència de quadre sense recuit (SR) i amb recuits acumulatius de 5 minuts a diferents temperatures per diferents temperatures de depòsit.. ... 26

Figura 16 Comparació de la resistència de contacte en funció de la temperatura de recuit per diferents temperatures de depòsit ... 26

Figura 17 Resistència de contacte per mostres de diferents gruixos sense aplicar cap recuit ... 27

Figura 18 Comparativa de l'evolució de mostres de diferents gruixos d'òxid de vanadi al aplicar recuits acumulatius de temperatura ... 28

Figura 19 Resistència de quadre de la mostra amb 150 cicles d’òxid de vanadi, ITO i Al ... 29

Figura 20 Resistència de contacte de la mostra amb 150 cicles d’òxid de vanadi, ITO i Al ... 29

Figura 21 Gràfica comparativa resistència de quadre mostres de Ni/Al amb alúmina i sense alúmina ... 30

Figura 22 Gràfica comparativa resistència de contacte de les mostres Ni/Al amb alúmina i sense alúmina en funció de la temperatura de recuit ... 30

Figura 23 Comparativa resistència contacte per diferents grossors d'òxid de vanadi, Ni/Al i sense alúmina ... 31

Figura 24 Evolució de la resistència de contacte al aplicar recuits acumulatius de temperatura en mostres de diferents gruixos de V2O5, Ni i Al. ... 32

(10)

Figura 25 Comparativa de la resistència de contacte en el cas òptim ITO/Ag i Ni/Al amb mesures sense recuit i amb recuits acumulatius de 5 minuts a diferents temperatures .. 32 Figura 26 Estudi TLM depòsit sobre vidre ... 33 Figura 27 Comparativa temps de vida en funció de la temperatura de depòsit del ALD .. 34 Figura 28 Evolució del temps de vida a) i J0 b) en funció del número de cicles d'òxid de vanadi, distingint si hi ha cicle d'alúmina o no (Tdep=125ºC) ... 35 Figura 29 Evolució del temps de vida a) i J0 b) al aplicar recuits de temperatura de 5 minuts amb mostres de 100 cicles de V2O5, amb o sense alúmina, i 70 nm d'ITO ... 36 Figura 30 Comparativa evolució temps de vida a) i J0 b)amb recuits acumulatius de temps a diferents temperatures constants ... 37 Figura 31 Evolució temps de vida a) i J0 b) mostes metal·litzades amb diferent gruix de la capa de V2O5 en funció del recuits acumulatius de temps a 125 ºC ... 39 .

(11)

Llistat de taules

Taula 1 Comparativa temps de vida i J0 de mostres amb i sense cicle d'alúmina ... 36 Taula 2 Comparativa temps de vida i J0 abans i després de depositar el níquel i l'alumini ... 38

(12)

1. Introducció

Actualment el consum energètic a nivell mundial està creixent i creixerà en el futur, per la qual cosa es necessari augmentar també la producció d’energia elèctrica. Aquesta energia elèctrica és pot utilitzar per a grans consums, com seria el d’una ciutat, o també la de petits aparells autònoms que no estan connectats a la xarxa de distribució elèctrica. Una bona solució per suplir aquesta demanda d’energia són les cèl·lules solars, ja que l’energia solar és una font d’energia neta i renovable.

El grup de Micro i Nano-tecnologies (MNT) del Departament d’Enginyeria Electrònica de la UPC disposa d’una sala blanca per investigar sobre millores i/o prototips de cèl·lules solars que millorin el rendiment de les que hi ha actualment al mercat.

Una de les cèl·lules solars de silici cristal·lí més utilitzades són les anomenades

“Interdigitated Back-Contact (IBC) Silicon Solar Cells”, on els contactes de base i emissor es troben a la part posterior. Aquestes cèl·lules solars requereixen una bona passivació frontal i posterior, a més de que l’emissor sigui poc recombinant.

En aquest treball és vol obtenir un contacte selectiu de forats basats en capes d’òxid de vanadi (V2O5), fent el depòsit utilitzant la tècnica de “Atomic Layer Deposition” (ALD), i estudiant la seva aplicació per a cèl·lules solars de silici.

Per fer aquest estudi s’han preparat tres esquemes de metal·lització diferents, a cada un s’han utilitzat diferents òxids i/o metalls per tal d’observar el seu comportament sobre el V2O5 aconseguit mitjançant el ALD. El primer bloc consisteix en un contacte format per V2O5, Indium Tin Oxide (ITO) i Plata (Ag), el segon bloc el formen V2O5, ITO i Alumini (Al) i per acabar, el tercer bloc el formen V2O5, Níquel (Ni) i Al. Amb aquests tres estudis es vol aconseguir un gruix el més òptim possible de la capa de V2O5 per tal d’obtenir una bona resistència de contacte i una bona passivació superficial (temps de vida elevat), a més, es vol estudiar la seva evolució quan se li aplica diferents recuits.

1.1. Objectius

Els objectius principals són:

- Estudiar l’estat de l’art en contactes selectius de forats aplicats a les cèl·lules solars.

- Familiaritzar-se amb els equips involucrats en el depòsit de les mencionades capes així com els sistemes de mesura per a la seva caracterització.

- Optimitzar les capes de V2O5 amb combinació de diferents metalls i/o òxids conductors per obtenir una bona selectivitat de forats. Aconseguir contactes amb una resistència de contacte baixa i un temps de vida elevat.

1.2. Requeriments

- Aprendre a treballar a la Sala Blanca, orientat al depòsit de capes pel procés de ALD, Sputtering (ITO), evaporació tèrmica (Al, Ag) i evaporació a la glovebox (Ni/Al), incloent els mètodes de neteja de les oblees i del material del laboratori.

- Aprendre tècniques de caracterització de processos, temps de vida, passivació (Sinton) i mesura de resistències de contacte per TLM (Transfer Length Measurement).

(13)

1.3. Especificacions

- Estudiar la passivació obtinguda a una velocitat de recombinació inferior a 100 cm/s.

- Aconseguir una resistència de contacte òhmica inferior de 10 mΩcm²utilitzant oblees de tipus n.

1.4. Idea del projecte

Aquest projecte ha estat proposat pel professor Pablo Ortega i es tracta de la continuació del projecte començat el quadrimestre anterior per l’alumne Pol Jabato [1]. Aquest projecte el realitza el grup MNT del departament d’electrònica de la UPC, on a partir de l’estudi teòric fet inicialment i amb els resultats experimentals aconseguits en el projecte anterior, s’han anat dissenyant els experiments a realitzar.

En primer lloc s’ha fet la tria dels materials (metalls, òxids) que s’utilitzaran, i en segon lloc les tècniques ha utilitzar per tal de formar les capes, així com els instruments de laboratori i les característiques (número de capes, temperatura, temps, etc) necessàries per tal de dur a terme els experimentals de forma eficaç.

En l’execució d’aquests experiments es variaran les característiques, tal com la temperatura i el gruix de les capes, per tal d’obtenir els valors òptims que redueixin la resistència de contacte i millorin la passivació superficial.

1.5. Pla de treball 1.5.1. Tasques

Projecte: WP ref: WP1

Paquet de treball: Estat de l’art i entrenament a la sala blanca.

Fitxa 1 de 4

Breu descripció:

Aprendre el funcionament de la sala blanca, la utilització dels seus equips i materials i el seu correcte manteniment.

Data d’inici: 11/09/2018 Data finalització: 12/10/2018 Tasca inicial: T1.1

Tasca final: T1.3

Tasca interna T1.1: Aprendre a utilitzar ALD, Sputtering, Evaporació Tèrmica i la Glovebox.

Tasca interna T1.2: Aprendre tècniques de caracterització de processos: temps de vida i passivació.

Tasca interna T1.3: Investigar sobre fonaments de cèl·lules solars i de contactes selectius orientats a IBCs.

(14)

Projecte: WP ref: WP3 Paquet de treball: Optimització HTL amb V2O5 i amb

Ni/Al a la Glovebox.

Fitxa 3 de 4

Determinar la optimització del HTL substituint el ITO per Níquel (Ni) i alumini.

Data d’inici: 19/11/2018 Data finalització: 21/12/2018 Tasca inicial:T1

Tasca final: T2 Tasca interna T3.1: Estudi de la resistència de contacte

V2O5/Ni (25nm)/Al (150nm) en funció del gruix del V2O5 a una temperatura de deposició de 125ºC. Estudi de la

Entregables: Data:

07/12/2018

Paquet de treball: Optimització HTL amb V2O5 amb ITO/Ag o ITO/Al.

Fitxa 2 de 4

Determinar la optimització del HTL en funció del gruix del V2O5, diferents temperatures de recuit i investigar la influència de canviar la plata (Ag) per l’alumini (Al).

Data d’inici: 15/10/2018 Data finalització: 07/12/2018 Tasca inicial: T1

Tasca final: T4 Tasca interna T2.1: Estudi de la resistència de contacte

del V2O5 /ITO(70nm)/Ag en funció del gruix del V2O5 a una temperatura de deposició de 125ºC i per diferents temperatures de recuit. Observar influència del cicle d’alúmina en l’ALD.

Tasca interna T2.2: Estudi de la temperatura de depòsit de V2O5 per al gruix òptim i temperatura de recuit.

Tasca interna T2.3: Estudi de la passivació després del depòsit de ITO i la influencia del recuit acumulatiu per al gruix òptim de V2O5. Observar la influència del cicle d’alúmina en l’ALD.

Tasca interna T2.4: Per al millor cas de capa de V2O5/ITO, veure la influència de canviar Ag per Al a la resistència de contacte.

Entregables:

Condicions de procés òptims com compromís de baixa resistència i alta passivació del contacte HTL.

Data:

30/11/2018

(15)

temperatura de recuit. Observar la influència del cicle d’alúmina en l’ALD.

Tasca interna T3.2: Estudi de la passivació amb un metall semitransparent (Ni (10nm)/Al(10nm)) depositat a una cara sense màscara de ombra per al gruix òptim.

Estudi del impacte amb la temperatura de recuit en paral·lel amb l’estudi anterior.

Paquet de treball: Escriptura del TFG Fitxa 4 de 4 Breu descripció:

Escriptura i defensa del treball de final de grau.

Data d’inici: 24/12/2018 Data finalització:

24/01/2019 Tasca inicial: T1 Tasca final: T2

Tasca interna T4.1: Escriure la memòria final del treball.

Tasca interna T4.2: Defensa del treball.

Entregables:

Memòria treball final

Data:

25/01/2018

1.5.2. Fites

WP# Tasques Títol curt Entregables Data

2 T2.1 T2.2 T2.3 T2.4

Optimització HTL amb V2O5 amb ITO/Ag o ITO/Al

07/12/2018

3 T3.1 T3.2

Optimització HTL amb V2O5 i amb Ni/Al a la

Glovebox.

21/12/2018

4 T4.1 T4.2

Escriptura del TFG

Memòria treball final 25/01/2019

(16)

1.5.3. Diagrama de Gantt

1.6. Desviacions respecte el pla inicial

Durant el desenvolupament del projecte no hi ha hagut cap incidència destacada que fes endarrerir els temps fixats inicialment.

Tot i així, algunes mostres que s’havien fet en el “Work Package 2” (WP2) no s’han pogut aprofitar, ja que la deposició dels metalls i els òxids amb la màscara d’ombra no ha estat la correcta, a causa de que aquesta no quedava completament enganxada amb la mostra i provocant deposicions laterals que provocaven que les distàncies entre els contactes fos menor i en alguns casos produís curtcircuit entre ells.

També cal remarcar que els resultats obtinguts del WP2 sobre el gruix del V2O5 no han estat els esperats, ja que s’han trobat bons resultats en mostres que a priori no els havien de tenir, fet que ha provocat que s’ampliés aquest estudi per veure la seva tendència i poder donar un gruix òptim més precís, sense treure temps als altres estudis del treball.

Inicialment el Work Package 4 consistia en un altre esquema de metal·lització i es va proposar com una part opcional, ja que la seva execució requeria canvis en un precursor de l’ALD. En vista que aquesta modificació podia tardar més temps de l’estimat i observant els resultats en els experiments dels Work Packages anteriors, s’ha optat per no realitzar- lo i ampliar els estudis anteriors.

(17)

2. Estat de l’art

2.1. Interdigitated Back-Contact (IBC) solar cells

Les cèl·lules solars amb la tecnologia ”Interdigitated Back-Contact” (IBC) [2][3] són un tipus de cèl·lules solars on els contactes de electrons i forats es troben a la part posterior.

S’utilitza regions interdigitades en forma de tires, ja que d’aquesta manera la llum solar penetra per la part frontal sense tenir cap pèrdua provocada per les ombres que fan aquests contactes, fet que fa que es pugui aconseguir corrents de curtcircuit i de conversió elevats.

Aquesta tecnologia no és recent, la primera cèl·lula solar desenvolupada per “Bell Labs”

ja era amb contacte posterior, tot i que a mesura que ha anat passant els anys la tecnologia ha anat madurant i hi ha hagut diferents modificacions de disseny respecte l’original.

Una cèl·lula solar té dos tipus diferents de contactes selectius denominats contactes d’electrons “Electron Transport Layer” (ETL) i de forats “Hole Transport Layer” (HTL). En el primer cas el ETL permet el pas d’electrons i bloqueja els forats, i viceversa en el cas del HTL [4][5].

El contacte que es busca en aquest treball correspon al HTL o capa de transport de forats, utilitzant com a element principal òxid de vanadi (V2O5) depositat per ALD i complementat per altres òxid i/o metalls [6].

Figura 1 Cèl·lula solar amb contacte posterior i els seus elements

En aquests dispositius, els parells electró-forat es generen en el substrat semiconductor de silici o regió absorbidora, en el nostre cas silici monocristal·lí tipus n (c-Si(n)). Aquest substrat ha de tenir un temps de vida (lifetime (τ)) elevat i els portadors minoritaris són captats per la unió que es mouen per difusió a la part posterior de la cèl·lula solar.

Amb aquests contactes selectius de forats i electrons a la part posterior del dispositiu, no hi ha un patró de metal·lització a la superfície frontal que pugui fer ombra al flux incident de fotons. A més, gairebé la meitat de la superfície posterior es pot cobrir amb un patró de metal·lització de cada tipus, fet que produeix que la resistència en sèrie del patró pugui ser molt baixa.

Aquesta estructura requereix d’una elevada proporció de la longitud de difusió de la portadora de minoritaris dins del gruix del dispositiu, combinat amb valors excepcionalment baixos de la velocitat de recombinació de la superfície frontal SF.

n-type c-Si

TiO

₂

based ETL

Passivation layer

V

₂

O

_x

based

HTL

(18)

A banda d’utilitzar substrats inicials d’alta qualitat, les condicions de processament d’aquestes cèl·lules solars han de ser tal que es mantingui elevat el temps de vida efectiu dels portadors minoritaris per disminuir les pèrdues de recombinació en volum i superfície.

Les cèl·lules IBC s’han de fabricar amb un material amb longitud de difusió de minoritaris gran. La distancia des de qualsevol punt de la cèl·lula fins la unió ha de ser inferior a la longitud de difusió. Un altre requisit de les cèl·lules solars amb tecnologia IBC és que han de tenir una passivació de la superfície frontal excel·lent, ja que la unió està la part posterior de la cèl·lula i la major part de la fotogeneració es produeix a la part frontal, a més, aquesta passivació superficial ha de mantenir-se estable en el temps.

(19)

3. Metodologia:

En aquest apartat s’explica els aparells i els mètodes que s’han utilitzat per tal de crear els contactes. En tots els estudis s’ha fet servir oblees n d’alta qualitat tipus Float Zone, FZ c- Si(n), amb orientació cristal·lina <100> i resistivitat 1.5 cm.

3.1. Aparells 3.1.1. Banc químic

El banc químic disposa dels àcids necessaris per netejar les oblees abans de començar a fer els depòsits en elles i evitar que hi hagi impureses (pols, marques, etc) que contaminin les mostres. Com que s’utilitzen àcids molt corrosius que poden fer mal a les persones, disposa de tots els sistemes de seguretat necessaris per evitar lesions a l’usuari, com per exemple: guants químics, màscara de gasos, davantal, visera transparent, extractor de gasos, dutxa de seguretat i farmaciola química.

A nivell experimental el banc disposa d’aigua filtrada per eliminar les seves impureses, pinces de plàstic i vasos de precipitats.

La neteja de les oblees es fa mitjançant àcid fluorhídric (HF) al 1%, que s’aconsegueix barrejant 980 ml d’aigua filtrada amb 20 ml d’àcid fluorhídric al 50%, durant 1 minut.

Figura 2 Banc químic

3.1.2. Evaporador tèrmic

Aquest aparell permet fer una evaporació de metalls a partir d’aplicar corrent per una barqueta de tungstè (W) que fa que s’escalfi a altes temperatures. Aquesta evaporació fa un depòsit homogeni a la mostra i el gruix del depòsit es controla a partir de la quantitat de material a evaporar que es col·loqui a dins l’evaporador tèrmic.

S’ha utilitzat aquest aparell per tal de evaporar plata (Ag) amb un gruix de 0.5 µm mitjançant tres pellets i també alumini (Al) amb el mateix grossor mitjançant 20 cm de fil d’alumini.

(20)

Figura 3 Evaporador tèrmic

3.1.3. Glovebox

La glovebox es una cambra internament aïllada del exterior on s’ha creat una atmosfera interna amb nitrogen (N2) per evitar oxidacions en les mostres. Per preservar aquesta atmosfera, les mostres s’introdueixen mitjançant una cambra de buit que treu els gasos provinents de l’exterior i a continuació l’omple de nitrogen per poder-la obrir sense contaminar la glovebox. A més, totes les manipulacions que es fan a dins es fan de forma indirecta amb uns guants que estan a la paret frontal que segellen l’interior amb l’exterior.

A dins hi ha una altra cambra de buit amb dos evaporadors tèrmics, que permet fer dues evaporacions de materials diferents sense haver de desfer el buit. Aquests dos evaporadors tèrmics tenen el mateix principi de funcionament que l’evaporador tèrmic descrit en el punt anterior, tot i que en aquest cas s’aplica de manera diferent l’augment de corrent. Els dos evaporadors tèrmics estan controlats per una controladora que dona corrent a partir del percentatge del total de potència que s’utilitza de la font, és a dir, a mesura que augmentem el percentatge, més corrent s’està donant. Té un sensor per cada evaporador que informa de la taxa d’evaporació en cada moment, i també del gruix “teòric”

que s’està depositant. Un altre aspecte del controlador dels evaporadors és que permet fer-ho de forma manual o de forma automàtica, segons vagi millor pel material que es vulgui evaporar.

En el nostre cas s’ha utilitzat pe fer la evaporació de níquel (Ni) i alumini (Al). Pel cas del níquel, que el seu punt d’ebullició és bastant elevat i necessita bastant corrent, es fa de forma manual per donar la potència necessària per a que s’evapori sense escalfar massa la mostra. Pel que fa a l’alumini, el seu punt d’evaporació és mes baix, i s’utilitza el mode automàtic que va augmentant la taxa de depòsit a poc a poc per anant fent capes i d’aquesta manera protegir la mostra.

Per l’estudi de la resistència de contacte s’ha depositat 24 nm de níquel i 200 nm d’alumini.

Per l’estudi de passivació s’ha creat una capa semitransparent amb 22-24 nm de gruix total de níquel i una altra mostra de 12-14 nm de níquel amb 10 nm d’alumini les dues.

(21)

Figura 4 Glovebox

3.1.4. Planxa calenta de recuits

La planxa calenta o “hot plate” consisteix en dues planxes que permeten segellar completament un petit habitacle que formen al seu interior. Aquestes dues planxes tenen un control extern que permet escalfar-les a la temperatura necessària. També disposa d’una entrada de nitrogen (N2) per evitar oxidacions en el procés de recuit.

Per fer els estudis amb recuits es pot fer augmentant la temperatura i mantenint sempre el mateix temps de recuit o mantenint la temperatura i augmentant el temps de recuit. Els recuits per als estudis de la resistència de contacte són de 5 minuts cada un de forma acumulativa i canviant les temperatures de 125, 150 a 175 ºC. Per a l’estudi de passivació s’ha realitzat dos tipus de recuits: en primer lloc recuits de 5 minuts acumulatius augmentant la temperatura en 25 ºC (començant a 125 ºC i acabant a 225 ºC) i en segon lloc, recuits a temperatura constant (125 ºC) i variant el temps de 5 a 60 minuts, també de forma acumulativa.

Figura 5 “Hot plate” per fer els recuits

(22)

3.2. Mètodes

3.2.1. Atomic Layer Deposite (ALD)

Es tracta d’una bona tècnica per fer depòsits amb capes fines amb un alt control del gruix de la capa, ja que permet fer depòsits a nivell d’Àngstrom (cada cicle equival a 0.6±0.05 Å), i crea aquestes capes de manera homogènia en tota la mostra. Aquest mètode consisteix en una seqüència alternant polsos de gasos d’uns precursors que reaccionen amb el substrat de la mostra. Aquestes reaccions paren automàticament quan tots els grups de superfície disponibles han reaccionat, fet que fa que les reaccions siguin auto- limitadores.

En concret, per a l’obtenció de l’òxid de vanadi s’utilitza un precursor d’aigua (H2O) i un precursor de Vanady-Tri-IsoPropoxide (VTIP). El precursor de VTIP té la peculiaritat que per al bon funcionament, i perquè el creixement de la capa sigui el caracteritzat, ha d’estar a la temperatura de 58 ºC. Per crear aquesta capa els passos són: pols d’aigua, purga, pols de VTIP i altre cop purga.

Per tal de fer l’alúmina s’utilitza el precursor d’H2O i un precursor de Trimethylaluminium (TMA).

Figura 6 Cicle fet amb ALD per crear una capa d'alúmina

L’alúmina és crea amb els passos que es poden observar a l’esquema anterior:

1. Es fa un pols de Al(CH3)3.

2. Es fa una purga per depositar les molècules sobre el substrat de silici.

3. Es fa un pols de H2O.

4. Es fa una altra purga perquè també quedi depositat al substrat i reaccioni amb les altres molècules.

5. Per incrementar el gruix de la capa, s’ha de repetir aquest cicle fins aconseguir el gruix desitjat.

També és important la temperatura dels anells interior i exterior on es fa el depòsit, ja que la seva temperatura marca la de depòsit. Típicament s’ha utilitzat 125 ºC per aquests anells.

Per a fer els contactes selectius de forats s’ha utilitzat aquesta tècnica per depositar sobre la mostra de silici l’òxid de vanadi (V2O5). S’ha utilitzat la recepta que va trobar l’alumne Pol Jabato [1] en el seu projecte del quadrimestre anterior utilitzant els precursors descrits anteriorment. En alguns casos s’ha posat inicialment un cicle d’alúmina (Al2O3) al principi de la recepta per tal de veure el seu efecte en el contacte. A partir d’aquesta combinació, es deposita una primera capa de V2O5, que com s’ha dit anteriorment es molt fina, i per tal d’augmentar aquest gruix fins arribar al desitjat, s’ha de repetir aquest cicle tantes vegades com faci falta.

Per poder utilitzar aquesta tècnica, és disposa d’un ordinador on podem crear/carregar una recepta, fer o desfer el buit de la planxa on es posa la mostra per fer el depòsit, posar

Al(CH3)3

Pols

Al(CH3)2

Purga

H2O Pols

Al2O3

Purga

(23)

la temperatura de depòsit als anells interior i exterior, a més dels precursors que contenen els gasos. També ens permet tenir monitoritzat les pressions, temperatures i el punt de la recepta que ens trobem en cada instant durant l’execució d’una recepta o quan la màquina està en manteniment.

Figura 7 ALD sala blanca

3.2.2. Sputtering

La tècnica del “Sputtering” o polvorització consisteix en crear un plasma que va rascant els àtoms del “target” que hi ha col·locat al càtode de l’aparell i polvoritza sobre la mostra de forma uniforme. Per controlar el gruix es fa mitjançant el temps de depòsit, ja que en anteriors experiments fets amb aquesta tècnica es va observar que l’augment del gruix del depòsit es lineal en el temps, i es va caracteritzar per cada “target” el temps necessari per a crear diferents grossors.

Per fer un depòsit de “sputtering” inicialment es necessita a l’interior de la cambra un buit de 1.5 · 10⁻⁵ mbars. Un cop el buit està fet, introduïm 26 sccm d’argó (Ar) a la sortida de la font de radiofreqüència que al activar-la amb 20 W de potencia, serà capaç de crear el plasma. Un cop el plasma està creat, baixem la pressió d’argó fins a 12 sccm i augmentem la potencia de la font a 50 W, d’aquesta manera s’aconsegueix que el plasma es mantingui encès. Abans de fer el depòsit, és neteja el “target“ durant 10 minuts per evitar que material que no sigui el desitjat pugui acabar depositat a la mostra. Passat aquest temps, ja es pot començar el depòsit sobre la mostra sense perill de contaminar-la.

Aquesta tècnica s’ha utilitzat per tal de fer el depòsit de Indium Tin Oxide (ITO) i en totes les mostres fetes s’ha posat aproximadament 70 nm que consisteix a un depòsit de 40 minuts.

(24)

Figura 8 Màquina per fer el "Sputtering"

3.2.3. Mesures TLM

Les mesures TLM o “Transmission Length Measurement” [7] són una tècnica que s’utilitza per determinar la resistència de contacte entre el metall i el semiconductor. La tècnica implica crear sèries de contactes metall-semiconductor de la mateixa llargada però separats per diferents distàncies (d), en aquest cas es va utilitzar 0.55, 0.45, 0.35, 0.25 i 0.15 mm. Les màscares que s’han utilitzat disposen de tres tipus de sèries de diferents llargades (W), de 15, 10 i 5 mm.

a) b)

Figura 9 Esquema sèrie per fer mesures TLM a) i màscara de TLM b)

Per fer la mesura s’apliquen unes sondes a cada parell de contactes i s’hi aplica una tensió a través d’aquest, on mesurant el corrent que hi circula amb un amperímetre, es pot determinar la resistència que hi ha entre el parell de contactes. La resistència mesurada és una suma de la resistència del primer contacte, la del segon contacte i la resistència del semiconductor que hi ha a l’espai entre els dos contactes.

W L_c d

Device geometrical features

Contact distances (d) = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 mm Contact width (W) = 5 mm

Contact length (Lc) = 0.05 mm

35

30

25

20 3 5

3 0

2 5

2 0

Pitch TLM 100 µm (distancia minima 80+70 µm), tiras 200+70 µm, circulos 2, 1.5, 1 mm de

diametro

mascara sombra metalización TMO's Version 1.0

(25)

Figura 10 Sondes mesurant un motiu TLM

Fent diverses mesures a diferents distancies entre els contactes, s’obté un gràfica de la resistència vers la separació entre els contactes. Si la separació dels contactes s’expressa en termes de relació de l’amplada i la longitud dels contactes, apareix una gràfica lineal, on el pendent de la resistència del semiconductor i la intercepció de la línia amb l’eix de les y és dues vegades la resistència de contacte.

Figura 11 Gràfica mesures TLM

Amb aquest mètode obtenim la resistència de quadre i la resistència de contacte de les mesures.

3.2.4. Mesura de fotoconductància

La mesura de fotoconductància s’utilitza per mesurar el temps de vida de la mostra.

Amb un flaix s’il·lumina la mostra per generar un excés de portadors, on a través de l’acoblament inductiu amb la superfície es mesura la fotoconductància i, amb aquesta, l’excés de concentració de la portadora. En el mateix moment es mesura la intensitat de la llum per a una cèl·lula solar calibrada. Amb l’excés de concentració i la intensitat de la llum, determinem el temps de vida efectiu (



eff), de la mostra en funció del excessos de minoritaris n.

La finalitat d’aquest tipus de mesura és trobar la densitat de corrent de saturació inversa (𝐽0(𝐴/𝑐𝑚²)), que interessa que sigui el més petita possible, i s’obté a partir de la següent expressió:

1

_𝑒𝑓𝑓−_¹

in = ^2𝐽⁰

𝑞𝑛_𝑖²𝑤(𝑁_𝐷+ n) (1)

Contac distance d R()

2R_c

-2L_T

slope W R_sh

Data

Linear regression

(26)

On _𝑒𝑓𝑓 ho obtenim amb el programa de l’instrument,_𝑖𝑛 és el temps de vida intrínsec, 𝑛𝑖 és la concentració intrínseca a 25 ºC (8.56 · 10⁹𝑐𝑚⁻³), 𝑤 és el gruix de la oblea (280µm), 𝑁_𝐷 el dopat donador (3.3 · 10¹⁵𝑐𝑚⁻³) i 𝑛 l’excés de portadors. A partir d’aquestes dades fent servir la eq. (1) avaluat a 𝑛 = 6 · 10¹⁵𝑐𝑚⁻³, calculem el valor de J0.

Figura 12 WCT-120 de Sinton per mesurar fotoconductàncies

3.3. Creació de les mostres

A continuació es mostra el procés utilitzat per crear les mostres per cada esquema de metal·lització i els punts del procés on s’han fet les mesures.

3.3.1. Òxid de Vanadi (V2O5), ITO / Plata (Ag) o Alumini (Al)

Figura 13 Esquema per crear i mesurar les mostres amb ITO i Plata / Alumini

3.3.2. Òxid de Vanadi (V2O5), Níquel (Ni) / Alumini (Al)

Figura 14 Esquema per crear i mesurar les mostres amb Níquel i Alumini

(27)

4. Resultats

Tal i com s’ha dit anteriorment, s’ha preparat tres esquemes de metal·lització juntament amb V2O5 depositat amb l’ALD per tenir un estudi amb diferents materials, observar el seu comportament i trobar un procés òptim en el qual complim els objectius de l’estudi (resistència de contacte i passivació).

4.1. Estudi de la resistència de contacte

4.1.1. Òxid de vanadi (V2O5), indium tin oxide (ITO) i plata (Ag)

Per aquest esquema de metal·lització s’ha utilitzat la recepta del ALD dissenyada per l’estudiant Pol Jabato per fer la continuïtat de l’estudi del seu treball i, per tant, tots els experiments que utilitzen aquest esquema tenen un cicle d’alúmina.

Un paràmetre d’aquesta recepta que s’ha volgut comprovar és la de la temperatura de depòsit, ja que aquest paràmetre en el treball anterior no es va estudiar.

S’han realitzat tres mostres amb: 1 cicle d’alúmina, 100 cicles de V2O5, 70 nm d’ITO i 0.5 µm de plata; en un cas amb una temperatura de depòsit de 100ºC, la segona amb 125ºC i la tercera amb 150ºC.

Figura 15 Comparació de la resistència de quadre sense recuit (SR) i amb recuits acumulatius de 5 minuts a diferents temperatures per diferents temperatures de depòsit..

Figura 16 Comparació de la resistència de contacte en funció de la temperatura de recuit per diferents temperatures de depòsit

0 10000 20000 30000 40000 50000

75 100 125 150 175 200

Rsheet (Ω/sq)

Temperatura (ºC) 100 cicles, 100ºC depòsit

100 cicles, 125ºC depòsit 100 cicles, 150ºC depòsit

SR

0 0,5 1 1,5 2

75 100 125 150 175 200

Resistència de contacte c (cm2)

Temperatura (ºC)

100 cicles, 100ºC depòsit 100 cicles, 125ºC depòsit 100 cicles, 150ºC depòsit

SR

C-Si(n) ^V2O5

Ag ITO

Al2O3

(28)

Com es pot observar, tant el paràmetre de la resistència de quadre com el de la resistència de contacte, la mostra amb el depòsit a 125 ºC és la que presenta els valors més baixos, tant a la mesura sense recuits com a les mesures després d’aplicar-los.

En vista d’aquests resultats, tots els experiments amb aquest esquema de metal·lització s’han fet amb la temperatura de depòsit de 125ºC.

Un cop determinat el paràmetre anterior, s’ha procedit a fer l’estudi del gruix de V2O5 a partir del número de cicles del ALD per determinar el seu gruix òptim.

Aquests experiments han estat els més extensos en número de mostres, però només s’ha pogut aprofitar una part d’aquest estudi ja que les mesures mitjançant TLM no donava resultats coherents (no linealitat i curtcircuits) i en conseqüència s’han hagut de descartar.

Comencem amb l’estudi sense cap recuit:

Figura 17 Resistència de contacte per mostres de diferents gruixos sense aplicar cap recuit

S’ha observat que les mostres amb petits gruixos tenen una resistència de contacte bastant més alta comparada amb les mostres de gruixos més grans. En l’estudi realitzat, la mostra amb la resistència de contacte més baixa, abans d’aplicar cap recuit, és la de 100 cicles d’òxid de vanadi, encara que tot fa pensar que el gruix òptim en aquest cas es trobaria entre els 100 i els 150 cicles.

Descartant les mostres amb pocs cicles i continuant l’estudi amb cicles compresos entre els 100, 150 cicles i gruixos superiors, es podria acabar de concretar el gruix òptim.

A continuació s’observa l’evolució de les mostres al aplicar diferents recuits acumulatius de temperatura de 5 minuts cada un:

0,0 1,0 2,0 3,0

30 50 70 90 110 130 150

Número de cicles

(29)

Figura 18 Comparativa de l'evolució de mostres de diferents gruixos d'òxid de vanadi al aplicar recuits acumulatius de temperatura

En aquest estudi es torna a confirmar que la mostra amb 100 cicles d’òxid de vanadi es la que presenta una resistència de contacte menor a la resta de mostres, també al aplicar diferents recuits acumulatius de temperatura.

També es pot extreure d’aquest estudi que al aplicar un primer recuit de 125ºC la resistència de contacte disminueix, al aplicar un altre recuit, en aquest cas de 150ºC, es queda estabilitzat i al aplicar l’últim recuit de 175ºC torna a augmentar.

Observant els tres estudis sobre la resistència de contacte fets amb aquest esquema de metal·lització, s’ha determinat: la temperatura de depòsit de l’òxid de vanadi i l’alúmina òptima és de 125ºC, aplicant un recuit de 125ºC millorem aquesta resistència i que el gruix més òptim trobat és el de 100 cicles amb el ALD. La resistència de contacte en aquest cas és de _𝑐 = 0.178 Ω𝑐𝑚².

En un futur s’hauria d’ampliar l’estudi per comprovar si el gruix òptim trobat és el correcte.

Una altra proposta és ampliar l’estudi sense el cicle d’alúmina per veure si millora respecte l’estudi amb el cicle d’alúmina. En aquest estudi s’ha fet un experiment però no ha sortit bé i no s’ha pogut aprofitar.

4.1.2. Òxid de vanadi (V2O5), indium tin oxide (ITO) i alumini (Al)

Aquest esquema de metal·lització s’ha realitzat per tal de abaratir el cost al canviar la plata per l’alumini. Aprofitant l’estudi anterior, s’ha realitzat tres mostres amb 100, 150 i 250 cicles d’ALD per comprovar que segueix el mateix patró i, per tant, que aquest canvi sigui viable a nivell tècnic.

Les mesures TLM fetes a aquestes mostres van sortir molt malament ja que no tenien linealitat i únicament s’ha pogut aprofitar la de 150 cicles. En el moment de decidir els següents passos, es va concloure que l’alumini no era una bona solució i es va optar per seguir l’estudi amb plata. En un proper estudi s’hauria de confirmar amb noves mostres si aquest esquema de metal·lització és viable.

L’estudi mostrat a continuació s’ha fet aprofitant els pocs motius TLM que han sortit dins dels paràmetres normals.

0 1 2 3

75 100 125 150 175 200

Temperatura (ºC)

40 cicles 50 cicles 60 cicles 80 cicles 100 cicles 150 cicles

SR

(30)

Figura 19 Resistència de quadre de la mostra amb 150 cicles d’òxid de vanadi, ITO i Al

Figura 20 Resistència de contacte de la mostra amb 150 cicles d’òxid de vanadi, ITO i Al

Es manté que aplicar un recuit de 5 minuts de 125 ºC fa disminuir les resistències que estem estudiant, i per tant, en aquest esquema de metal·lització també s’ha d’aplicar. En tots els casos la resistència de contacte té valors molt més alts que els trobats en plata.

En definitiva, a priori aquest esquema de metal·lització no es considera vàlid per als contactes que es busquen. A falta de repetir l’estudi en un futur, en el cas que es demostrés que ha estat un error experimental i no del metall utilitzat, l’estudi actual fa entendre que l’alumini segueixi el mateix patró que la plata.

4.1.3. Òxid de vanadi (V2O5), Níquel (Ni) i Alumini (Al)

Aquest procés de metal·lització s’ha dut a terme a la Glovebox, on té l’avantatge que durant aquest procés no s’ha hagut de trencar el buit i per tant no ha pogut patir oxidació. A més, no s’ha de canviar d’instrument, fet que no pugui haver possibilitat que la màscara d’ombra es mogui i els motius TLM no quedin correctament per a la posterior mesura.

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

75 100 125 150 175 200

Rsheet (Ω/sq)

Temperatura (ºC)

150 cicles òxid de vanadi, ITO, Al

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

75 100 125 150 175 200

Temperatura (ºC)

150 cicles òxid de vanadi, ITO, Al SR

SR

C-Si(n)

V2O5 Al

ITO

(31)

Amb aquesta combinació s’ha realitzat diferents estudis, el primer de tots ha estat la implicació del cicle d’alúmina (Al2O3) en la deposició de la capa de l’òxid de vanadi amb l’ALD. Aquest cicle ve d’herència de l’estudi realitzat per l’alumne Pol Jabato amb l’esquema de metal·lització utilitzant ITO. Es vol comprovar si amb la metal·lització de níquel i alumini aquesta capa d’alúmina pot ser beneficiosa.

Per verificar-ho, s’ha creat dues mostres amb 100 cicles d’òxid de vanadi, la primera amb el cicle d’alúmina i la segona sense el cicle d’alúmina, i amb els mateixos grossors de níquel i alumini de les dues. Per fer l’estudi s’ha fet una mesura mitjançant TLM un cop fet el depòsit del níquel i l’alumini, un altra desprès d’un recuit de 5 minuts a 125ºC, una tercera mesura desprès d’un recuit de 5 minuts a 150ºC i finalment una última mesura després d’un recuit a 175ºC, tots aquests recuits han estat acumulatius. El resultat de l’estudi és el següent:

Figura 21 Gràfica comparativa resistència de quadre mostres de Ni/Al amb alúmina i sense alúmina

Figura 22 Gràfica comparativa resistència de contacte de les mostres Ni/Al amb alúmina i sense alúmina en funció de la temperatura de recuit

Tal i com s’observa, la resistència de quadre és menor en la mostra sense el cicle d’alúmina en totes les mesures. Ens els dos casos, amb el recuit a 125ºC la resistència de

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

75 100 125 150 175 200

Rsheet (Ω/sq)

Temperatura (ºC) 100 cícles amb alúmina 100 cícles sense alúmina

0 1 2 3

75 100 125 150 175 200

Temperatura (ºC)

100 cícles amb alúmina 100 cícles sense alúmina

SR

C-Si(n) V2O5

Al Ni

Al2O3

C-Si(n)

V2O5 Al Ni

(32)

quadre disminueix lleugerament, però a l’aplicar els altres recuits aquesta resistència té la tendència d’augmentar, sent la mostra amb alúmina la que augmenta més.

En la resistència de contacte, la mesura inicial sense cap recuit mostra que és pràcticament igual en les dues mostres, però amb el recuit a 125ºC els valors de les dues divergeixen de manera que la resistència de contacte de la mostra amb alúmina augmenta més que la que no la conté. Amb la resta de recuits és manté la tendència observada amb el primer recuit, però accentuant-se encara més.

En aquest estudi es tractava de buscar la mostra que tingués la resistència de quadre i la de contacte més petita, i s’ha comprovat que sense el cicle d’alúmina aquests dos paràmetres són millors, en conseqüència, els següents estudis fets amb aquest esquema de metal·lització es faran sense el cicle d’alúmina depositat amb ALD.

El següent estudi que s’ha fet amb aquest esquema de metal·lització és el de trobar el gruix òptim de òxid de vanadi per a la resistència de contacte, fixant-nos primer de tot amb la mesura feta sense cap recuit:

Figura 23 Comparativa resistència contacte per diferents grossors d'òxid de vanadi, Ni/Al i sense alúmina

De la gràfica anterior s’observa que hi ha una tendència polinòmica de la resistència de contacte on aproximadament per a 250 cicles d’òxid de vanadi hi ha la resistència amb el valor més baix. Per assegurar que aquest valor és correcte, un futur estudi s’hauria de centrar a augmentar el gruix de la capa d’òxid de vanadi per veure la seva tendència.

A partir de l’estudi fet s’ha determinat que el gruix òptim de la resistència de contacte és de 250 cicles d’ALD de la capa d’òxid de vanadi.

A continuació s’estudia l’efecte dels recuits en la resistència de contacte:

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 50 100 150 200 250 300 350

Número de cicles

(33)

Figura 24 Evolució de la resistència de contacte al aplicar recuits acumulatius de temperatura en mostres de diferents gruixos de V2O5, Ni i Al.

S’observa que de forma general, quan s’aplica recuits de temperatura la resistència de contacte augmenta en totes les mostres. Per aquest motiu s’ha determinar que els recuits de temperatura són contraproduents.

La mostra de 300 cicles d’òxid de vanadi es comporta lleugerament diferent a la resta, això fa pensar que en gruixos elevats d’aquesta capa el seu comportament canvia respecte les capes més primes o bé que es tracta d’un error experimental, en tot cas en futures investigacions s’hauria de comprovar.

Per aquest esquema de metal·lització, en termes de resistència de contacte, el gruix òptim és 250 cicles d’òxid de vanadi, no es deposita capa d’alúmina i tampoc s’aplica cap recuit i la resistència de contacte amb aquestes condicions és _𝑐 = 0.25 Ω𝑐𝑚².

4.1.4. Comparativa resistència de contacte ITO/Ag i Ni/Al

A continuació és mostra una gràfica amb el cas òptim de cada esquema de metal·lització:

Figura 25 Comparativa de la resistència de contacte en el cas òptim ITO/Ag i Ni/Al amb mesures sense recuit i amb recuits acumulatius de 5 minuts a diferents temperatures

0 0,5 1 1,5

75 100 125 150 175 200

Temperatura (ºC) 100 cicles

150 cicles 250 cicles 300 cicles

0 0,5 1 1,5

75 100 125 150 175 200

Temperatura (ºC)

1 cicle Al2O3 + 100 cicles V2O5 + ITO + Ag 250 V2O5 + Ni + Al

SR SR

(34)

Tal i com s’observa, en la mesura abans de fer el primer recuit de temperatura la mostra de Ni/Al té la resistència de contacte més baixa, però a mesura que es van aplicant recuits acumulatius de temperatura, la mostra amb ITO/Ag passa a ser la que la té més baixa.

4.1.5. Conducció capa d’òxid de vanadi

Per acabar l’estudi de resistència de contacte, s’ha creat una mostra sobre un portaobjectes de vidre (material aïllant) amb V2O5 (200 cicles), Ni i Al. La finalitat d’aquest estudi ha estat comprovar que la capa d’òxid de vanadi té conductivitat. S’ha mesurat una resistència de quadre de Rsh 4.6 G/sq confirmant que hi ha conducció a la capa d’òxid de vanadi. Es pot calcular la resistivitat del material V2O5 si es considera el gruix de la capa (10 nm), resultant en 4600 cm. Això podria explicar que la resistència de contacte amb el silici tingui una dependència suau amb el número de cicles ja que té una conducció vertical per la capa de V2O5.

Figura 26 Estudi TLM depòsit sobre vidre

4.2. Estudi de la passivació

El segon paràmetre d’estudi és el de la passivació. Com en l’anterior estudi, en aquest també s’ha tingut diferents variables en compte per trobar el millor cas en termes de passivació.

Per fer aquests estudis s’ha aprofitat les mostres que s’han utilitzat per l’estudi de la resistència de contacte, apart de les fetes expressament per aquest cas.

En primer lloc es vol observar la influencia de la temperatura de depòsit del ALD en la passivació:

-1,00E+08 -5,00E+07 0,00E+00 5,00E+07 1,00E+08 1,50E+08

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Resistència (Ω)

Distància entre contactes d (mm)

(35)

Figura 27 Comparativa temps de vida en funció de la temperatura de depòsit del ALD

En la gràfica anterior s’observa que el fet d’augmentar la temperatura de depòsit fa disminuir el temps de vida, per tant, el millor cas es quan el depòsit es va a 100 ºC. Com s’ha dit abans, s’ha aprofitat les mateixes mostres que en l’estudi anterior, en conseqüència l’estudi continuarà fent-se amb 125 ºC de depòsit.

Tot i així, com que la resistència de contacte és molt millor a 125 ºC, aquesta temperatura de depòsit és una bona opció. Hi ha un compromís entre bona passivació i bon contacte òhmic.

Un cop determinat la temperatura de depòsit s’ha estudiat l’evolució del temps de vida en funció del gruix de la capa d’òxid de vanadi i la implicació del cicle d’alúmina.

La següent gràfica es mostra el resultat de l’estudi fet utilitzant les mostres de l’estudi de la resistència de contacte abans de fer la metal·lització:

a)

100 200 300 400

0 50 100 150 200 250 300 350

Temps de vida (µs)

Número de cicles Temps de vida (amb alúmina)

Temps de vida (sense alúmina)

C-Si(n) Al2O3 V2O5

C-Si(n) V2O5

(36)

b)

Figura 28 Evolució del temps de vida a) i J0 b) en funció del número de cicles d'òxid de vanadi, distingint si hi ha cicle d'alúmina o no (Tdep=125ºC)

El resultat d’aquest estudi dona que el cicle d’alúmina fa empitjorar el temps de vida per qualsevol gruix de la capa d’òxid de vanadi i per tant és millor prescindir-ne.

També s’observa que al augmenta el gruix de la capa d’òxid de vanadi el temps de vida tendeix a disminuir, les mostres sense alúmina es mantenen més estable i les mostres amb alúmina disminueix més ràpidament.

Si es vol aconseguir que el procés del ALD afecti el mínim a la passivació la millor opció és fer el depòsit a 100 ºC (125 ºC si volem el millor compromís entre passivació i resistència de contacte), no posar cicle d’alúmina i que el gruix del V2O5 sigui petit observant únicament mostres entre 50 i 200 cicles.

Definit el procés del ALD que dona el temps de vida més elevat, es continua amb els estudis de passivació un cop s’ha metal·litzat a sobre les mostres.

Per tal de fer els següents estudis, les mostres creades tenien una cara passivades perfectament amb Al2O3 (35nm)/SiCx (carbur de silici depositat per PECVD).

4.2.1. Estudi passivació estructura amb ITO

En aquest cas l’estudi de passivació únicament és metal·litzarà amb 70 nm d’ITO, ja que es semitransparent, i no s’hi posarà ni plata ni alumini.

Com que l’estudi amb ITO ha estat la continuació del treball de l’estudiant Pol Jabato, i per tant, les mostres s’han fet amb un cicle d’alumini, s’ha volgut observar quina implicació té l’alúmina amb la passivació.

80 120 160 200

0 50 100 150 200 250 300 350

J0 (fA/cm2)

Número de cicles J0 (amb alúmina) J0 (sense alúmina)

(37)

En les mesures abans de fer el depòsit d’ITO, la mostra sense alúmina té aproximadament el doble del temps de vida que la que conté alúmina, i en les mesures després de fer el depòsit la diferencia passa a ser de tres vegades més gran. Això significa que l’alúmina fa empitjorar molt la passivació i, a més, al metal·litzar encara empitjora més respecte les mostres que no contenen aquesta capa.

a)

b)

Figura 29 Evolució del temps de vida a) i J0 b) al aplicar recuits de temperatura de 5 minuts amb mostres de 100 cicles de V2O5, amb o sense alúmina, i 70 nm d'ITO

0 200 400 600 800 1000

75 100 125 150 175 200 225 250

Temps de vida (µs)

Temperatura recuits (ºC)

1 cicle alúmina + 100 cicles V2O5

100 cicles V2O5

0 100 200 300 400 500

75 100 125 150 175 200 225 250

J0 (fA/cm2)

Tempratura recuits (ºC) 1 cicle alúmina + 100 cicles V2O5

100 cicles V2O5

SR Mostra Temps de vida

(µs) (abans ITO)

J0 (𝑓𝐴/𝑐𝑚² ) (abans ITO)

Temps de vida (µs) (després ITO)

J0 (𝑓𝐴/𝑐𝑚² ) (després ITO)

1 cicle Al2O3 + 100 cicles V2O5

330 187 83 394

100 cicles V2O5 617 96 238 205

Taula 1 Comparativa temps de vida i J0 de mostres amb i sense cicle d'alúmina

SR

C-Si(n)

Al2O3 V2O5

SiCx ITO